单片机系统中PS/2键盘驱动程序设计
摘要分析PS/2协议；介绍PS/2标准键盘的第二套扫描码和命令集，并给出在单片机系统中支持PS/2键盘的硬件连接方式和利用Keil C51语言实现的驱动程序设计及部分代码。该驱动程序可以方便地移植到其他单片机或嵌入式系统中。
关键词 PS/2协议 PS/2键盘单片机驱动程序
在单片机系统中，经常使用的键盘都是专用键盘。这类键盘都是单独设计制作的，成本高，连线多，且可靠性不高。这些问题在那些要求键盘按键较多的应用系统中显得更加突出。与此相比，在PC系统中广泛使用的PS/2键盘具有价格低。通用可靠，且使用的连线少(仅使用2根信号线)的特点，并可满足多数系统的要求。因此，在单片机系统中应用PS/2键盘是一种很好的选择。
本文在分析PS/2协议和PS/2键盘工作原理与特点的基础上，给出在AT89C51单片机上实现对PS/2键盘支持的硬件连接方法以及驱动程序的设计实现。
1PS/2协议
现在PC机广泛采用的PS/2接口为miniDIN 6引脚的连接器。其引脚如图1所示。
1—数据线(DATA);2—未用；3—电源地(GND);
4—电源(+5 V);5—时钟(CLK);6—未用。
图1PS/2连接器PS/2设备有主从之分，主设备采用female插座，从设备采用male插座。现在广泛使用的PS/2键盘鼠标均工作在从设备方式下。PS/2接口的时钟与数据线都是集电极开路结构的，必须外接上拉电阻。一般上拉电阻设置在主设备中。主从设备之间数据通信采用双向同步串行方式传输，时钟信号由从设备产生。
(1)从设备到主设备的通信
当从设备向主设备发送数据时，首先会检查时钟线，以确认时钟线是否是高电平。如果是高电平，从设备就可以开始传输数据；否则，从设备要等待获得总线的控制权，才能开始传输数据。传输的每一帧由11位组成，发送时序及每一位的含义如图2所示。
图2从设备到主设备的通信每一帧数据中开始位总是为0,数据校验采用奇校验方式，停止位始终为1。从设备到主设备通信时，从设备总是在时钟线为高时改变数据线状态，主设备在时钟下降沿读入数据线状态。
(2)主设备到从设备的通信
主设备与从设备进行通信时，主设备首先会把时钟线和数据线设置为“请求发送”状态。具体方式为：首先下拉时钟线至少100μs来抑制通信，然后下拉数据线“请求发送”，最后释放时钟线。在此过程中，从设备在不超过10μs的间隔内就要检查这个状态。当设备检测到这个状态时，将开始产生时钟信号。
此时数据传输的每一帧由12位构成，其时序和每一位含义如图3所示。
图3主设备到从设备的通信与从设备到主设备通信相比，其每帧数据多了一个ACK位。这是从设备应答接收到的字节的应答位，由从设备通过拉低数据线产生，应答位ACK总是为0。主设备到从设备通信过程中，主设备总是在时钟为低电平时改变数据线的状态，从设备在时钟的上升沿读入数据线状态。
2PS/2键盘的编码与命令集
(1) PS/2键盘的编码
现在PC机使用的PS/2键盘都默认采用第二套扫描码集。该扫描码集可参考文献\[1\]。扫描码有两种不同的类型：通码(make code)和断码(break code)。当一个键被按下或持续按住时，键盘会将该键的通码发送给主机；而当一个键被释放时，键盘会将该键的断码发送给主机。
根据键盘按键扫描码的不同，在此可将按键分为如下几类：
第一类按键，通码为1字节，断码为0xF0+通码形式。如A键，其通码为0x1C,断码为0xF0 0x1C。
第二类按键，通码为2字节0xE0+0xXX形式，断码为0xE0+0xF0+0xXX形式。如right ctrl键，其通码为0xE0 0x14,断码为0xE0 0xF0 0x14。
第三类特殊按键有两个，print screen键通码为0xE0 0x12 0xE0 0x7C,断码为0xE0 0xF0 0x7C 0xE0 0xF0 0x12; pause键通码为0x E1 0x14 0x77 0xE1 0xF0 0x14 0xF0 0x77,断码为空。
组合按键的扫描码发送按照按键发生的次序，如以下面顺序按左SHIFT+A键：1按下左SHIFT键，2按下A键，3释放A键，4释放左SHIFT键，那么计算机上接收到的一串数据为0x12 0x1C 0xF0 0x1C 0xF0 0x12。
在驱动程序设计中，就是根据这样的分类来对不同的按键进行不同处理的。
(2) PS/2键盘的命令集
主机可以通过向PS/2键盘发送命令来对键盘进行设置或者获得键盘的状态等操作。每发送一个字节，主机都会从键盘获得一个应答0xFA(“重发resend”和“回应echo”命令例外)。下面简要介绍驱动程序在键盘初始化过程中所用的指令(详细键盘命令集见参考文献\[1\]):
0xED主机在本命令后跟随发送一个参数字节，用于指示键盘上num lock, caps lock, scroll lock led的状态；
0xF3主机在这条命令后跟随发送一个字节参数来定义键盘机打的速率和延时；
0xF4用于在当主机发送0xF5禁止键盘后，重新使能键盘。
3PS/2键盘与单片机的连接电路
PS/2键盘与AT89C51单片机的连接方式如图4所示。P1.0接PS/2数据线，P3.2(INT0)接PS/2时钟线。因为单片机的P1.P3口内部是带上拉电阻的，所以PS/2的时钟线和数据线可以直接与单片机的P1.P3相连接。
4驱动程序设计
驱动程序使用Keil C51语言，Keil uVision2编程环境。PS/2 104键盘驱动程序的主要任务，是实现单片机与键盘间PS/2通信，以及将接收到的按键扫描码转换为该按键的键值KeyVal,提供给系统上层软件使用。
(1)单片机与键盘间PS/2通信的程序设计
在PS/2通信过程中，主设备(单片机)是在时钟信号为低时发送和接收数据信号的。因为单片机到键盘发送的是指令，需要键盘回应，所以这部分程序采用查询方式；而单片机接收键盘数据时，数据线上的信号在时钟为低时已经稳定，所以这部分程序采用中断方式，且不需要在程序中加入延时程序。单片机的键盘发送接口程序见本刊网站http://www.dpj.com.cn
(2)键盘扫描码转换程序设计
由于键盘扫描码无规律可循，因此由键盘扫描码获得相应按键的键值(字符键为其ASCII值，控制键如F1.CTRL等为自定义值),只能通过查表的方式。由于按键的三种类型及部分按键对应着两个键值(如A键的键值根据CAPS和SHIFT键状态有0x41(A)和0x61(a)两种),因此综合考虑查表转换速度和资源消耗，设计中使用4个键盘表：键盘扫描码转换基本集和切换集kb_plain_map\[NR_KEYS\]与kb_shift_map\[NR_KEYS\];包含E0前缀的键盘扫描码转换基本集和切换集kbe0_plain_map\[NR_KEYS\]与kbe0_shift_map\[NR_KEYS\]。PS/2 104键盘按键扫描码最大值为0x83,所以设置NR_KEYS为132。所有四个键盘表的定义均为如下形式：KB_MAP\[MAKE CODE\]=KEYVAL,如果扫描码对应的按键为空，如KB_MAP\[0x00\],则定义相应键值为NULL_KEY(0x00)。以下是键盘扫描码基本集的部分代码实例：kb_plain_map\[NR_KEYS\]={……NULL_KEY;0x2C;0x6B;0x69;0x6F;0x30;0x39;NULL_KEY;//扫描码0x40~0x47file&#58//对应按键空，逗号，K,I,O,0,9,空file&#58//对应键值 0x00,’，’，’k’，’i’，’o’，’0’，’9’，0x00……};图4硬件连接电路如此设计键盘转换表的另一个好处在于，以后如需扩展支持有ACPI.Windows多媒体按键键盘时，只需要将键表中相应处修改即可。如ACPI power按键通码为0xE0 0x37,修改kbe0_plain_map\[0x37\]=KB_ACPI_PWR即可。
特殊按键PAUSE使用单独程序处理，如果接收到0xE1就转入这段程序；而print screen键则将其看作是两个通码分别为0xE0 0x12和0xE0 0x7C的“虚键”的组合键来处理。
在驱动程序中声明如下全局变量：led_status其bit0－scroll lock led关0.开1;bit1－num lock led关为0,开为1;bit2－caps lock led关为0,开为1;bit3～bit7总是0;agcs_status记录左右shift ctrl gui alt状态，bit0－左shift键，bit1－左ctrl键，bit2－左gui键，bit3－左alt键，bit4－右shift键，bit5－右ctrl键，bit6－右gui键，bit7－右alt键，相应键按下则对应位为1,释放为0。E0_FLAG接到0xE0置1;E1_FLAG接收到0xE1置1;F0_FLAG接收到0xF0置1。按键键值通过KeyVal提供给上层使用。
PS/2键盘扫描码键值转换程序ps2_codetrans()流程如图5所示。
图5扫描码键值转换程序流程第一类按键的扫描码键值转换程序代码：if (F0_FLAG){//接收扫描码为断码
switch (mcu_revchar){//处理控制键
case 0x11: agcs_status&=0xF7;break;//左alt释放
case 0x12: agcs_status&=0xFE;break;//左shift释放
case 0x14: agcs_status&=0xFD;break;//左ctrl释放
case 0x58: if(led_status&0x04)
led_status&=0x03;//caps lock键
else led_status =0x04;
ps2_ledchange();
break;
case 0x59: agcs_status&=0xEF;break;//右shift释放
case 0x77: if(led_status&0x02)
led_status&=0x05;//num lock键
else led_status =0x02;
ps2_ledchange();
break;
case 0x7E: if(led_status&0x01)
led_status&=0x06;//scroll lock键
else led_status =0x01;
ps2_ledchange();
break;
default:break;
}
F0_FLAG = 0;
}
else{//接收扫描码为通码
if (led_status & 0x04) caps_flag = 1; else caps_flag = 0;
if (led_status & 0x02) num_flag = 1; else num_flag = 0;
if (scga_status & 0x11) shift_flag = 1; else shift_flag = 0;
file&#58//扫描码键值转换
if ((caps_flag == shift_flag) (!num_flag)) KeyVal=kb_plain_map\[mcu_revchar\];
else KeyVal=kb_shift_map\[mcu_revchar\];
switch(mcu_revchar){//处理控制键或状态键
case 0x11: agcs_status = 0x08;//左alt按下
case 0x12: agcs_status = 0x01;//左shift按下
case 0x14: agcs_status = 0x02;//左ctrl按下
case 0x59: agcs_status = 0x10;//右shift按下
default: break;
}
}第二类按键的扫描码键值转换程序与上相似。要注意的是在退出该程序段时对E0_FLAG和F0_FLAG标志的清0。
PAUSE键的处理程序：如果接收到0xE1,置E1_FLAG＝1,然后顺次将后续接收到的7个字节数据和PAUSE的通码后7个字节比较，一致则返回KeyVal=KB_PAUSE。在比较完所有7个字节后清除E1_FLAG标志。
键盘初始化程序kb_init()流程：
①上电后，接收键盘上电自检通过信号0xAA,或者自检出错信号0xFC。单片机接收为0xAA,进入下一步，否则，进行出错处理。
②关LED指示，单片机发送0xED,然后接收键盘回应0xFA,接着发送送0x00接收0xFA。
③设置机打延时和速率。单片机发送0xF3,接收0xFA,发送0x00(250ms,2.0cps),接收0xFA。
④检查LED,发送0xED,接收0xFA,发送0x07(开所有LED),接收0xFA。发送0xED,接收0xFA,发送0x00(关LED),接收0xFA。
⑤允许键盘发送0xF4,接收0xFA。
键盘LED改变ps2_ledchange()函数流程：发送0xED→接收0xFA→发送led_status→接收0xFA。
结语
该驱动程序经Keil uVision2编译，在AT89C51单片机上运行通过，实现了对PS/2 104键盘的支持，以及对字符按键大小写切换，num lock切换，控制键及组合按键的支持。该程序对其他嵌入式或单片机系统中PS/2键盘的应用也有借鉴意义。
参考文献
1Adam Chapweske. The ATPS/2 Keyboard Interface. http://panda.cs.ndsu.nodak.edu/%7Eachapwes/PICmicro/keyboard/atkeyboard.html
2Adam Chapweske. PS/2 Mouse/Keyboard Protocol. http://govschl.ndsu.nodak.edu/~achapwes/PICmicro/PS2/ps2.htm
3Network Technologies Incorporated. PS/2 Keyboard & Mouse Protocols. http://www.networktechinc.com/ps2prots.html
4 Linux 2.4.10内核程序 defkeymap.c dn_keyb.c kbd.c keybdev.c keyboard.c kbd_kern.h kd.h keyboard.